消費(fèi)電子射頻(RF4CE)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)介紹

(RF4CE)聯(lián)盟是針對消費(fèi)類電子產(chǎn)品遙控器的一種標(biāo)準(zhǔn)。松下、飛利浦、三星電子和索尼公司組成的企業(yè)聯(lián)盟正在推動這一標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。它們的目標(biāo)是，通過運(yùn)用于遙控器的雙向RF通信實(shí)現(xiàn)高可靠性和眾多新穎功能，從而向消費(fèi)者提供更多價(jià)值。

RF4CE的主要優(yōu)點(diǎn)是確保了遙控器和音頻/視頻 (A/V)設(shè)備之間的互操作性，而紅外卻無法實(shí)現(xiàn)。這種協(xié)議的上層專為遙控器定義，而下層(包括物理層)使用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)被廣泛用于消費(fèi)類電子和工業(yè)市場的各種專有協(xié)議，ZigBee和6LowPAN也基于該標(biāo)準(zhǔn)。其優(yōu)點(diǎn)包括低功耗、穩(wěn)健性、遠(yuǎn)距離、2.4GHz頻帶全球部署以及成熟的器件市場。在對任何特定應(yīng)用的射頻設(shè)備進(jìn)行評估時(shí)，需要考慮大量的參數(shù)。本文將重點(diǎn)討論那些對典型遙控應(yīng)用的用戶體驗(yàn)產(chǎn)生重大影響的參數(shù)。

利用RF遙控器獲得更長的電池使用壽命

在一個(gè)遙控器系統(tǒng)中，遙控器通常為電池驅(qū)動，受控設(shè)備則為電源供電。這就使得兩種設(shè)備具有不同的功耗要求。

1遙控器

遙控器一般由電池供電，這些電池可輕松提供一個(gè)IEEE 802.15.4射頻所需的適當(dāng)峰值電流(大約為30mA)。更為重要的是平均功耗，2xAA電池至少1年的電池使用壽命能滿足電視遙控器的一般要求。但是，低功耗的RF遙控器可以很輕松地實(shí)現(xiàn)數(shù)年的電池使用壽命。

IEEE802.15.4射頻標(biāo)準(zhǔn)具有三種主要的功耗形式：接收模式功耗、發(fā)送模式功耗和睡眠模式功耗。這些功耗模式對平均功耗的影響取決于其量級和各模式占用時(shí)間的乘積。實(shí)際上，設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包所花費(fèi)的時(shí)間與TX模式下消耗的電流同樣重要。遙控器被看作低占空比設(shè)備，這就是說它們大部分時(shí)候都處于睡眠模式，只是偶爾被喚醒使用射頻，如發(fā)送一條命令。然而，RF4CE等雙向RF遙控器協(xié)議實(shí)現(xiàn)了一些高級功能。例如，在遙控器上顯示設(shè)備狀態(tài)和分頁(paging)功能。這些功能要求遙控器在固定間隔時(shí)間內(nèi)自動喚醒，以收集受控設(shè)備數(shù)據(jù)。

可以用CC2430構(gòu)建一個(gè)每天按動按鈕50次的通用RF遙控器，其能實(shí)現(xiàn)分頁調(diào)度功能，而這種功能要求遙控器每隔5s醒來一次，以檢查是否正被受控設(shè)備輪詢。當(dāng)沒有被命令或輪詢激活時(shí)，該設(shè)備便進(jìn)入PM2睡眠模式，并等待按鈕按下或者睡眠計(jì)時(shí)器輪詢超時(shí)來喚醒。

當(dāng)未實(shí)施分頁調(diào)度功能時(shí)，能量被睡眠期間的電流消耗。這種情況下，射頻設(shè)備擁有低于 1μA的平均功耗。實(shí)際上，兩節(jié)堿性AA電池的自放電大約為1μA。

2受控設(shè)備

當(dāng)一個(gè)受控A/V設(shè)備開啟時(shí)，RF設(shè)備所用功耗一般并不大。這就是說，它可以一直保持開啟狀態(tài)，從而最小化接收命令的時(shí)延。但是，當(dāng)受控設(shè)備處于待機(jī)模式下時(shí)，RF設(shè)備的功耗就會變大。

要獲得“能源之星”認(rèn)證，電視在待機(jī)模式下的功耗就必須要(平均)低于1W。將來的一些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定會有更為嚴(yán)格的要求，這樣一來，RF收發(fā)器的功耗預(yù)算就被縮減至數(shù)mA水平。降低RF收發(fā)器的功耗意味著其不能處于一種連續(xù)接收狀態(tài)下。因此，遙控器發(fā)出開啟命令的時(shí)延將會比受控設(shè)備開啟時(shí)發(fā)送的命令要長。

3共存性

圖1描述了典型的家庭配置，其由眾多2.4GHzRF設(shè)備包圍的A/V設(shè)備組成。這些設(shè)備通常包括Wi-Fi設(shè)備、無繩電話、微波爐、藍(lán)牙設(shè)備、ZigBee網(wǎng)絡(luò)等。許多設(shè)備工作在相同頻帶中時(shí)，互相之間可能會存在干擾。這些干擾會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失、功耗增加和通信時(shí)延。而有幾種方法可以減輕RF遙控器網(wǎng)絡(luò)中的這些影響。

圖1 典型的家庭無線環(huán)境

站在軟件遙控協(xié)議的立場上來說，減輕干擾影響的最有效方法是頻率捷變。它是一種算法，通過改變通道來響應(yīng)破損的RF鏈接，直至找到一條干擾極少的通道為止。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)在2.4GHz頻帶中定義了16條通道，將它們編號為11～26。通常來說，切換到一條干擾極少的通道是有可能的;但是，干擾可能會總是存在于鄰近的一些通道中。IEEE 802.11射頻(Wi-Fi)使用了比IEEE802.15.4更寬的通道便是一個(gè)例子。當(dāng)數(shù)個(gè)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)同時(shí)存在的時(shí)候(見圖2)，如果您的遙控器已經(jīng)移至Wi-Fi通道干擾極少的通道20，那么有源WiFi網(wǎng)絡(luò)使用通道6時(shí)鄰近通道就會存在干擾。

圖2 IEEE 802.11和IEEE 802.15.4通道方案

RF接收機(jī)受到工作在相同通道的一些設(shè)備以及鄰近頻率發(fā)射的信號干擾。選擇性是了解該接收機(jī)對無數(shù)據(jù)包誤差鄰近通道發(fā)射的強(qiáng)干擾容忍程度的一種測量方法。選擇性或干擾電阻是指IEEE802.15.4中鄰近和間隔通道抑制，用dB表示。接收機(jī)良好的選擇性是接收機(jī)的一個(gè)硬件參數(shù)，標(biāo)注在器件的產(chǎn)品說明書中。通過高性能模擬和數(shù)字濾波器的組合，可以在一些器件(如CC2520)中獲得較高的選擇性。

圖3顯示的是兩個(gè)鄰近通道的干擾，其強(qiáng)度足以導(dǎo)致接收機(jī)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包誤差。

圖 3 選擇性被表示為鄰近和間隔通道抑制

IEEE802.15.4將接收機(jī)選擇性的最低要求設(shè)定為鄰近通道抑制0dB以及間隔通道抑制30dB。為了在強(qiáng)干擾環(huán)境中建立一個(gè)穩(wěn)健的系統(tǒng)，就不能僅僅滿足于這些最低要求。TI的CC2520 IEEE802.15.4收發(fā)器擁有49dB的鄰近通道抑制和54dB的間隔通道抑制，也就是說，即使安放在非?？拷诟蓴_源的地方，它也不會丟失數(shù)據(jù)包和出現(xiàn)時(shí)延。

4有效距離

紅外遙控器要求接收機(jī)在視線以內(nèi)才能起作用，這就使其很難在鄰近房間或同一房間內(nèi)的各個(gè)地方完成操作。RF遙控器并不存在上述問題。設(shè)想一下，您現(xiàn)在想如何使用RF遙控器呢!例如，您也許想將您的DVD播放器遮避在厚實(shí)的柜門后面，把機(jī)頂盒放在房子的中心向幾臺電視機(jī)同時(shí)提供視頻流，或許您還想在廚房接聽電話的時(shí)候?qū)⒖蛷d里播放的音樂關(guān)閉等。

許多因素均會影響RF設(shè)計(jì)的有效距離，例如，PCB設(shè)計(jì)、天線和外殼等。RF收發(fā)器的可能有效距離由靈敏度和輸出功率決定。靈敏度由一定數(shù)據(jù)包誤差率(PER)下接收機(jī)能夠接收到弱信號的強(qiáng)度測量得出(單位為dBm)。輸出功率由發(fā)射器能夠發(fā)射的信號強(qiáng)度測量得出(單位為dBm)。

5信號強(qiáng)度測量

就系統(tǒng)中理想工作的遙控器來說，其必須知道要與之通信的設(shè)備所處位置。搜索設(shè)備位置的過程被稱為綁定。這一過程使單個(gè)遙控器可以被用于控制系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)設(shè)備。例如，一支萬能遙控器可以控制您的TV、DVD和機(jī)頂盒，即使這些設(shè)備并非是同時(shí)從同一家廠商那里購買的。使用紅外遙控器時(shí)，可以通過手動輸入代碼來完成這一過程，這通常是一個(gè)令人畏懼的過程，如果設(shè)備不支持或者代碼輸入錯(cuò)誤則會以失敗告終。就RF遙控器而言，有諸多方法可以完成設(shè)備配對，其中，最常用的便是就近設(shè)備配對。

當(dāng)遙控器接近其要控制的設(shè)備時(shí)，用戶按下某個(gè)按鈕后就近配對便會起作用。遙控器發(fā)送一個(gè)廣播數(shù)據(jù)包，附近的所有設(shè)備便產(chǎn)生回應(yīng)，以此來建立綁定。該遙控器利用回應(yīng)廣播的發(fā)射設(shè)備的RF信號強(qiáng)度，來探測與其接近的設(shè)備?；赗F信號遠(yuǎn)距離傳輸后的衰減程度，由接收機(jī)上的信號強(qiáng)度計(jì)算出發(fā)射器和接收機(jī)之間的距離。在RF接收機(jī)中，這種信號強(qiáng)度表示為RSSI(接收信號強(qiáng)度指示)。要獲得直觀、用戶易于掌握的就近配對，接收機(jī)的RSSI測量就必須精確。

如圖4所示，CC2520擁有良好的就近配對性能所必需的一些功能。RSSI和功率均為線性，且具有較好的動態(tài)范圍(大約100dBm)，這就使其成為確定發(fā)送器距離的理想選擇。

圖4 CC2520典型的RSSI值與輸入功率

結(jié)論

正如我們討論的那樣，選擇低平均功耗器件來獲得長電池使用壽命，利用良好的選擇性來建立穩(wěn)健的鏈路，以及運(yùn)用精確的RSSI測量方法來達(dá)到直觀的就近配對，這些都是構(gòu)建一款優(yōu)秀遙控器產(chǎn)品的關(guān)鍵。